Lograr excelentes prestaciones mecánicas y de unión mediante nanocompuestos epoxi como hormigón

Aug 20, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9157 (2023) Citar este artículo

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El anclaje de barras de refuerzo de acero en estructuras de hormigón es un método común en la industria de la edificación y la construcción. Esta investigación se centra en mejorar las propiedades mecánicas/de unión del adhesivo nanocompuesto epoxi preparado mediante el tratamiento superficial de nanorellenos de SiO2 con glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS). Para este propósito, las nanopartículas de sílice se silanizaron mediante un método sencillo de sol-gel a concentraciones de silano de 1, 5, 10 y 20X (es decir, X es la concentración estequiométrica de silano). Las nanopartículas se caracterizaron cuidadosamente mediante técnicas FTIR, TGA, XRD y XPS. Se descubrió que la proporción de injerto GPTMS más alta se obtuvo con una concentración de silano de 10X. Las nanopartículas puras y silanizadas se agregaron a una resina epoxi de dos componentes y se compararon sus propiedades de tracción y compresión. Se encontró que la modificación de la superficie de la nanosílice provocó una mejora en la resistencia, el módulo, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión en un 56, 81, 200 y 66 % en comparación con el adhesivo epoxi prístino y también en un 70, 20, 17 y 21 % en comparación con el adhesivo epoxi prístino. Adhesivo que contiene nanosílice pura. También provocó una mejora del 40 y 25 % en la resistencia a la extracción, una mejora del 33 y 18 % en el desplazamiento de extracción y del 130 y 50 % en la energía de adhesión en comparación con los adhesivos prístinos y que contienen sílice cruda, respectivamente.

El hormigón es uno de los materiales de construcción más valiosos que se encuentran allí donde existe una infraestructura1,2,3,4. Las barras de refuerzo, en forma de refuerzo, se utilizan para conectar los cimientos y las columnas5,6,7. Además, otra de sus aplicaciones más importantes en la cimentación es la implementación de conejos para evitar juntas de construcción en el hormigón8. Para reforzar el hormigón en las estructuras, las barras de refuerzo se conectan con alambre, de modo que el sistema de anclaje quede firmemente colocado en el hormigón9,10.

La unión entre el cemento y las barras de acero juega un papel importante en el comportamiento fisicoquímico del sistema de anclaje10,11. En general, las grietas en el hormigón son generadas por tensiones de tracción, que pueden ser el resultado de sobrecargas, cambios de temperatura y contracción, y provocar conexiones deficientes, deslizamiento de las barras de refuerzo y fallas de los anclajes12,13. Se han realizado muchos esfuerzos para mejorar la adhesión de las barras de refuerzo de acero al hormigón de cemento, incluida la aplicación de materiales poliméricos en la superficie de las barras de refuerzo (por ejemplo, revestimientos14, resinas epoxi15, etc.) y la modificación del diseño de la mezcla de hormigón (por ejemplo, con nanopartículas16, fibras17, etc. ).

Generalmente los adhesivos para hormigón se dividen en dos tipos: a base de epoxi y a base de látex/polímero18. Este tipo de materiales se utilizan para reparar concreto, sellar concreto, aumentar las propiedades fisicoquímicas del concreto y conectar concreto viejo con uno nuevo19. Algunas de las ventajas de los adhesivos estructurales son el fortalecimiento de la estructura y el aumento de la conexión entre materiales, su uso en ambientes húmedos, la conexión de miembros con sección transversal, la resistencia a la corrosión y su fácil y rápida implementación20,21. La colocación de barras de refuerzo o pernos es uno de los métodos más utilizados en la industria de la construcción. Esto incluye una amplia gama de conexiones estructurales y no estructurales, así como el refuerzo de las estructuras22,23. Desde este punto de partida, mejorar las propiedades adhesivas es la técnica más eficiente para prevenir daños estructurales mediante el fortalecimiento de la unión metal-hormigón24.

Hoy en día, los adhesivos a base de epoxi son de los adhesivos más populares para sistemas de anclaje de barras de acero, debido a sus altas fuerzas de adhesión, rápida y excesiva compactación, impermeabilidad contra la humedad, agua de mar, aguas residuales y materiales derivados del petróleo, significativa resistencia a vibraciones y tensiones estructurales y alta propiedades mecánicas19,25.

A partir de 1980, investigadores como Bloxham26, Van Gemert et al.27 y Swamy et al.28 realizaron estudios sobre el refuerzo del hormigón con varillas de acero utilizando adhesivos epoxi.

Muchos científicos han investigado el comportamiento mecánico y químico entre las barras adhesivas y el hormigón29,30. Se ha determinado que la barra de mayor diámetro tiene mayor falla en la conexión con el concreto, por lo que para tener una mejor conexión y no fragilidad, la longitud de la barra debe ser quince veces el diámetro de la barra31,32.

Zhao et al.33 investigaron la unión de barras de acero a estructuras de hormigón utilizando adhesivo epoxi. Se informó que el adhesivo tenía buena fuerza de unión tanto con las barras de refuerzo como con el concreto y la falla del sistema ocurrió en las interfaces del adhesivo, pero la ductilidad del sistema de anclaje disminuyó al usar adhesivo epoxi.

En los últimos años, las cargas se utilizan para mejorar las propiedades físicas y mecánicas de los adhesivos34,35,36,37,38. Se ha demostrado que el tipo, tamaño y propiedades de los rellenos tienen un gran impacto en la fuerza de unión de las juntas adhesivas y en la transferencia de tensiones entre el hormigón y las barras de acero39. Szymanowski et al.40 investigaron el efecto del uso de nanopartículas de óxido de titanio (TiO2) cristalinas tetragonales en adhesivos y su efecto sobre la fuerza de unión en compuestos cementosos en capas. Los resultados mostraron que la inclusión de 0,5% en peso de nanopartículas de TiO2 al adhesivo aumentó sus propiedades de unión, resistencia al desgaste, resistencia a la tracción y dureza. Ismael et al.41 utilizaron nano SiO2 y AL2O3 en compuestos cementosos reforzados con fibras de acero. Los resultados mostraron que la adición de nanopartículas condujo a un aumento en la unión entre el acero y la matriz, especialmente con mayores contenidos de cemento. El uso de nanopartículas de Al2O3 también provocó una disminución del agrietamiento. May et al.42 utilizaron nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) para reforzar la resina epoxi de éter diglicidílico mediante el método sol-gel. Los resultados mostraron que la presencia de nanopartículas provoca mejores propiedades de adhesión y resistencia a la tracción (hasta 28,5 MPa) de la resina epoxi. Li et al.43 modificaron nanopartículas de sílice con polimetilhidrosiloxano (PMHS) mediante el proceso sol-gel y lo utilizaron para modificar la superficie de materiales. Los resultados mostraron que los enlaces químicos interfaciales creados mejoraron la hidrofobicidad de la superficie. Se descubrió que los rellenos y los agentes químicos de acoplamiento podrían fortalecer la conexión entre el hormigón y las barras de refuerzo de acero. También se investigó el efecto de las micro y nanopartículas de sílice sobre los adhesivos epoxi. Se descubrió que las micropartículas de sílice y su tamaño de partícula afectan las propiedades mecánicas del adhesivo epoxi y la fuerza de unión a la barra de acero. Sin embargo, las nanopartículas de sílice causaron una disminución en las propiedades que se atribuyó a la tendencia de las nanopartículas hidrófilas a aglomerarse en la matriz orgánica44.

Con base en la revisión de la literatura, se encontró que el uso de nanopartículas en adhesivos de anclaje se ha estudiado en pocas investigaciones. Además, en la mayoría de los casos sólo se ha investigado la fuerza de unión entre el hormigón y las barras de refuerzo y no se han evaluado los efectos sobre las propiedades mecánicas del adhesivo y su relación con la adhesión entre el hormigón y las barras de refuerzo.

Sobre esta base, se seleccionó las nanopartículas de sílice como relleno rentable en esta investigación. La superficie se modificó mediante el método sol-gel utilizando un agente acoplador de silano a base de epoxi en diferentes concentraciones. El injerto de silano se evaluó mediante análisis FTIR, TGA, XRD, SEM y XPS. La sílice pirógena bruta y modificada en la superficie se aplicó a un adhesivo epóxico de dos componentes. Se evaluaron las propiedades de flexión y compresión de los adhesivos nanocompuestos puros y modificados preparados. Se utilizaron los mejores adhesivos (según sus propiedades mecánicas) para anclar barras de acero en hormigón. Se utilizó el análisis FE-SEM para caracterizar las superficies fracturadas de las muestras de adhesivo. Finalmente, se estudiaron los efectos de las nanopartículas puras y modificadas sobre la adherencia del hormigón a las barras de refuerzo.

En este estudio se utilizaron como aglutinante resina epoxi Nanya NPEL-128 (Taiwán) y Epikure F205 como agente de curado. Se utilizaron nanopartículas de sílice pirógena con un tamaño de partícula primaria promedio de 25 a 35 nm como nanocarga de refuerzo para adhesivos epoxi. Se utilizó glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) (GLYMO, Evonic Company) para modificar la superficie de sílice pirógena. Como disolvente se utilizó etanol absoluto (99,98%, Merck, Alemania).

En primer lugar, la cantidad óptima de silano necesaria para modificar la superficie de las nanopartículas se calculó mediante la siguiente relación estequiométrica45,46,47,48:

donde mGPTMS y MGPTMS son la masa del GPTMS (gr) y la masa molecular del GPTMS, respectivamente. NA y nOH son números de Avogadro y el número de grupos hidroxilo, respectivamente.

Este valor varió dependiendo de la masa molecular del GPTMS, el área de superficie específica (BET) de las nanopartículas pirógenas y los datos de TGA (consulte la Sección 1S en la información de respaldo).

El esquema 1 representa el proceso de tratamiento superficial de sílice pirógena mediante GPTMS. Para ello, se añadieron 0,5 g de sílice pirógena a 70 g de etanol y se sonicaron a 30 °C durante 1 h. Posteriormente, se añadió el GPTMS (es decir, al contenido calculado mediante la ecuación 1) a etanol, agua y ácido acético (en una proporción en peso de 0,1:0,05) para hidrolizar el GPTMS. El pH óptimo de la solución de hidrólisis se determinó mediante análisis de potencial zeta. En este punto, la suspensión preparada de sílice pirógena en etanol se vertió en un matraz. La solución se agitó y se añadió al reactor gota a gota durante 30 min. Posteriormente la solución se mezcló durante 4 h y se centrifugó. Los sedimentos se separaron y se lavaron tres veces con acetona para eliminar las moléculas de GPTMS que no reaccionaron. Finalmente, la sílice pirógena modificada se secó en un horno durante 12 h a 90 °C para la condensación GPTMS en la superficie de las nanopartículas.

Proceso de tratamiento superficial de sílice pirógena mediante GPTMS.

Para mejorar la proporción de injerto, las nanopartículas también se modificaron a concentraciones de silano de 5X, 10X y 20X (ver Tabla 1).

Para preparar un adhesivo epoxi prístino, se añadió el endurecedor a la parte de resina en una proporción en peso de 1:2. La mezcla se agitó suavemente para inhibir la creación de burbujas de aire.

Para preparar muestras de nanocompuestos, se añadió nanopartículas (es decir, sílice ahumada cruda o modificada) a la parte de resina (al 0,5, 1, 3 y 5% en peso). Para ello, la sílice pirógena se añadió a n-butanol y se sonicó a 28 °C y 200 W (frecuencia de 40 kHz) durante 1 h. La suspensión resultante se añadió suavemente a la resina y se mezcló lentamente a 350 rpm durante 30 min. La suspensión se aplicó suavemente a la resina y se mezcló lentamente a 450 rpm y se puso en una estufa de vacío para eliminar el disolvente. Para preparar muestras de adhesivo epoxi puro y modificado (ver Tabla 2), se aplicó el agente de curado a la parte basada en resinas en una proporción de peso de 1:2 y se mezcló suavemente49, y se colocó en condiciones ambientales durante 10 h. Posteriormente, las muestras solidificadas se retiraron y se colocaron en un horno a 100 °C durante 5 h para su poscurado.

El propósito de este estudio es preparar un adhesivo epoxi para el anclaje efectivo de barras de acero en concreto. Para este propósito, se preparó el concreto en una relación agua-cemento (a/c) de 1:1,89 (ver Tabla 3). El hormigón preparado se vertió en moldes cilíndricos (ver Sección 2S en la información de respaldo). La barra de plástico (1 cm de diámetro y 10 cm de longitud) se utilizó para formar un orificio de anclaje en el hormigón sin necesidad de taladrar. Los moldes llenos se mantuvieron en condiciones ambientales durante 24 h. Posteriormente, las muestras se colocaron en agua durante 28 días para su curado. Después del curado de las muestras de hormigón, se insertó la barra de refuerzo de acero (0,8 cm de diámetro y 20 cm de longitud) en el centro del orificio (con 10 cm de longitud) y luego se insertó adhesivo en el espacio (es decir, 0,2 cm de espesor) entre la barra de acero y el muro de hormigón. Las muestras se colocaron a temperatura ambiente durante 14 días para su curado.

Las propiedades mecánicas de los nanocompuestos y la resistencia a la extracción se determinaron utilizando una máquina universal SANTAM STM150. Las pruebas de tracción, flexión y compresión se realizaron a velocidades de carga de 5, 2 y 1,3 mm/min según los métodos de prueba ASTM D638, D790 y D695, respectivamente. Se ensayaron tres especímenes para evaluar cada propiedad mecánica. La prueba de extracción se realizó en modo de tensión según el método de prueba ASTM C900. La muestra de hormigón y barra de refuerzo de acero adherida se colocó en un soporte de acero mientras las barras de refuerzo se mantenían usando el agarre hacia arriba y el soporte se mantenía constante usando el agarre hacia abajo. La prueba se realizó a una velocidad de tensión de 10 mm/min. la barra de refuerzo de acero saldría gradualmente del hormigón durante la carga (consulte la Sección 3S en la información de respaldo). Se probaron tres muestras para evaluar la adhesión por extracción de cada muestra.

La eficiencia del injerto de sílice pirógena cruda y modificada se determinó mediante análisis termogravimétrico (TGA) (Mettler-Toledo Co., Suiza). FTIR se realizó mediante un TENSOR 27 para identificar la estructura química de nanopartículas y GPTMS. XPS se realizó mediante el sistema ESCALAB 250 (ESЄA System, EE. UU.). El tamaño de las partículas y la morfología de la sílice pirógena cruda y modificada se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FE-SEM) (Hitachi, Japón). La difracción de rayos X (XRD) de la sílice pirógena bruta y modificada se determinó mediante el difractómetro Bruker AXS D8 (Madison, Wisconsin).

Se utilizó análisis térmico mecánico dinámico (DMTA) para investigar el comportamiento viscoelástico de nanocompuestos epoxi (Netzsch Co., Alemania). El ángulo de contacto con el agua (WCA) de la sílice pirógena se midió utilizando (UI-1220LE-M-GL, IDS-Alemania).

La carga superficial de las partículas a diferentes pH se investigó mediante la evaluación del potencial Zeta. El potencial zeta más negativo indica más carga negativa en la superficie de la nanopartícula, mejor estabilidad y mejor dispersión en el disolvente acuoso. Sobre esta base, se prepararon muestras con diferentes pH de 2, 5, 7 y 9 y se midió su potencial zeta (ver Fig. 1).

Potencial Zeta para nanosílice en diferentes condiciones ácidas.

Los resultados indicaron que a pH 7, se logra la carga más negativa de la nanosílice. Esto confirma la presencia de varios grupos OH en la superficie de la sílice pirógena que están listos para ser silanizados. Sobre esta base, se seleccionó este pH como la mejor condición para la etapa de silanización.

La Figura 2a muestra los resultados de TGA para la sílice silanizada y cruda. Como se muestra en la figura, todas las muestras exhiben una gran pérdida de peso en la primera región, que se relacionó con la eliminación del H2O adsorbido. La pérdida de peso de las nanopartículas modificadas fue mayor que la de la nanosílice pura en esta región debido a una mayor absorción de agua durante el proceso de silanización. En la segunda región, todas las nanopartículas modificadas presentaron grandes pérdidas de peso, que se relacionaron con la degradación de los GPTMS injertados. La pérdida de peso de la sílice bruta en esta región correspondió a la deshidroxilación de los grupos OH. La mayor pérdida de peso en esta región se obtuvo para la sílice silanizada (es decir, muestra NS-G-10X). Sobre esta base, se seleccionó esta muestra como el silanizado óptimo para procesos futuros. La Figura 2b muestra espectros FTIR de las nanopartículas de sílice crudas y silanizadas. En el espectro de la sílice bruta, los picos a 961, 1528 y 1630 cm-1 se atribuyeron a la vibración de flexión del O-H. El amplio pico alrededor de 3450 cm-1 estaba relacionado con la vibración de estiramiento del grupo O – H. Sobre esta base, hay tres tipos diferentes de grupos hidroxilo en la superficie de las nanopartículas, incluidos los grupos hidroxilo unidos covalentemente, adsorbidos físicamente y de doble base.

(a) Curvas TGA de sílice bruta y sílice silanizada, (b) espectroscopia FT-IR de GPTMS, sílice bruta y sílice silanizada.

Para las nanopartículas de sílice modificada, los picos de vibración de flexión del grupo OH a 1630 cm-1 desaparecieron y sus picos a 3450 cm-1 se debilitaron. Esto se atribuyó al consumo de grupos OH superficiales durante la hidrólisis de GPTMS. Además, los picos a 1109, 805 y 475 cm-1 estaban relacionados con vibraciones asimétricas, simétricas y de flexión de Si – O – Si, respectivamente. Los picos entre 2800 y 3000 cm-1 en el espectro de GPTMS estaban relacionados con vibraciones de estiramiento de los grupos CH y CH2. Estos picos aparecieron nuevamente en las nanopartículas modificadas que confirman el éxito del injerto de moléculas GPTMS. Por el contrario, no se vieron en el espectro de las nanopartículas crudas debido a su naturaleza inorgánica. Los picos se intensificaron en el espectro de nanopartículas modificadas a una concentración de 10X, lo que confirma una mayor proporción de injerto GPTMS para esta muestra. Los resultados estuvieron en buena correlación con los hallazgos de TGA. Por conveniencia, las nanopartículas que se modificaron a una concentración de 10X se denominan nanosílice modificada (es decir, MNS) en lugar de NS-G-10X de ahora en adelante. La Tabla 4 muestra los resultados de TGA.

Se utilizó el análisis XRD para detectar la fase cristalina de las nanopartículas sin procesar y modificadas (ver Fig. 3). Es evidente que la posición de los picos no se ha movido, pero el pico ancho ubicado a 22° muestra que todas las nanopartículas tienen una estructura amorfa. Se encontró que la modificación de la superficie de las nanopartículas no ha influido en su fase cristalina. El tamaño de los cristales también se calculó según la ecuación de Scherrer48,50,51 que fueron 17,01 y 16,97 nm para sílice cruda y silanizada. Este resultado ilustra una reducción insignificante en el tamaño de los cristales después de la modificación con GPTMS.

Caracterización de humos de sílice crudos y modificados; (a) Análisis XRD y (b) XPS.

Los espectros XPS de la sílice silanizada cruda y de superficie óptima se muestran en la Fig. 3. Se utilizaron espectros de barrido estrecho de C1, O1 y Si2p para determinar los cambios en el entorno químico de los elementos de la superficie. Los resultados confirmaron el éxito del injerto de GPTMS en la superficie de las nanopartículas debido a la intensificación de los picos del indicador. Además, los picos coexistentes de Si2p (102,8 eV) y Si2s (156,3 eV) en la muestra pura estaban relacionados con el grupo silanol en la estructura de sílice. Sin embargo, en la muestra modificada estos picos se intensificaron debido a la condensación de moléculas de silano que formaron una capa de silanol en la superficie de las nanopartículas. Los datos de XPS se enumeran en la Tabla 5.

La Figura 4 muestra fotografías FE-SEM de sílice cruda y silanizada. Las nanopartículas de SiO2 puro tenían tamaños que oscilaban entre 25 y 30 nm. La tendencia a la aglomeración del nanorelleno puro se pudo observar debido al enlace hidroxilo entre los grupos OH de la superficie. Después del tratamiento superficial de la sílice con GPTMS a base de epoxi, el tamaño de las partículas se redujo a 20-25 nm debido a la estabilización estérica de los silanos injertados.

Fotografía FE-SEM de; (a1, a2) sílice cruda y (b1, b2) nanopartículas silanizadas.

La sílice bruta se añadió a la parte de resina en cuatro concentraciones diferentes. Los nanocompuestos se moldearon para preparar muestras de prueba. Después del curado, las probetas se sometieron a ensayos de tracción, flexión y compresión. La Figura 5 muestra los resultados.

(a) Propiedades de tracción, (b) flexión y (c) Resistencia y módulo de la nanosílice pura y (d) propiedades de tracción, (e) flexión y (f) compresión de la nanosílice modificada que contiene nanocompuestos epoxi en diferentes porcentajes de nanopartículas.

Según los resultados, las muestras que contenían 1% en peso de sílice cruda mostraron las propiedades de tracción, flexión y compresión más altas entre los otros nanocompuestos. Se concluyó que a mayores contenidos de carga del nanorelleno puro, se produjo la aglomeración de partículas que causó una disminución en las propiedades mecánicas. Esto confirma los resultados del análisis FE-SEM.

Las nanopartículas modificadas también se agregaron a la resina epoxi al 1% en peso. Los resultados también se muestran en la Fig. 5. Se observó que las propiedades de tracción aumentaron. Se atribuyó a la mejor dispersión del humo de sílice silanizado en la matriz epoxi debido a la estabilización estérica de las nanopartículas que se prepararon obstaculizando los grupos silano injertados47,48. El humo de sílice silanizado no mostró efectos sobre las propiedades de flexión pero causó un incremento considerable en las propiedades de resistencia y módulo de la muestra de epoxi. Los resultados tuvieron buena correlación con los resultados del análisis FE-SEM y XRD.

La Figura 6 muestra imágenes FE-SEM preparadas a partir de la superficie fracturada de los nanocompuestos con dos aumentos (es decir, 10 µm y 500 nm). Se observaron agregados grandes (es decir, con un tamaño de 100 nm a 2,5 µm) en la muestra que contenía sílice cruda (ver Fig. 7a). Esto se atribuyó a la naturaleza hidrófila del humo de sílice que provocó agregación en la matriz epoxi. Esto indica una mala dispersión del humo de sílice hidrófilo en la matriz epoxi. Después del tratamiento superficial del humo de sílice, se observó una considerable dispersión homogénea y agregados de pequeño tamaño (de hasta 100 nm). Esto se atribuyó a la estabilidad estérica del humo de sílice realizada mediante GPTMS injertado. Además, las líneas en forma de río aumentaron en la superficie fracturada del nanocompuesto modificado, lo que confirmó interacciones mejoradas entre la matriz epoxi y las nanopartículas silanizadas37,46,48.

Fotografía FE-SEM de; (a1, a2) nanocompuestos epoxi crudos y (b1, b2) modificados.

Propiedades mecánicas de nanocompuestos; (a) Módulo de almacenamiento y (b) Tan δ.

El comportamiento dinámico-mecánico de los nanocompuestos y su relación con la química de la superficie de las nanopartículas se investigó mediante análisis DMTA. La Figura 7a muestra la curva del módulo de almacenamiento en términos de temperatura. Los resultados mostraron que la silanización de nanopartículas condujo a un aumento en el módulo de almacenamiento del nanocompuesto52. Esto debería atribuirse a las interacciones interfaciales mejoradas entre las nanopartículas y la matriz epoxi. Esto limita el movimiento de las cadenas y aumenta la rigidez de la matriz. La temperatura de transición vidrio-caucho (Tg) de la muestra (derivada de la temperatura máxima de la curva tanδ) mostró un ligero incremento que confirmó una mejor red en la matriz debido a la unión de nanopartículas a la matriz epoxi (ver Fig. 7b y Tabla 6)53.

También se observó que las nanopartículas puras causaron una disminución en el módulo de almacenamiento del polímero epoxi, lo que confirmó interacciones interfaciales débiles entre la matriz polimérica y las nanopartículas prístinas. Esto estaba relacionado con las débiles interacciones interfaciales relleno-polímero47,53. Sin embargo, no tuvo ningún efecto sobre la Tg y la tan δ de la muestra prístina curada. Esto se atribuyó a la alta densidad de reticulación de la resina curada y a su comportamiento frágil.

Se midió el WCA de las prístinas muestras de epoxi y nanocompuestos y los resultados se muestran en la Fig. 8. Se ve claramente que la inclusión de nanosílice pura provocó un aumento en la hidrofilicidad de la muestra de epoxi. Por el contrario, las nanopartículas modificadas aumentaron la hidrofobicidad del nanocompuesto epoxi incluso más que el epoxi prístino. Esto se atribuyó a la presencia de grupos propilo y etilo en la estructura del GPTMS que contrarrestaban el efecto de los grupos epóxido hidrófilos.

Ángulo de contacto con el agua de (a) epoxi prístino, (b) nanocompuesto de epoxi que contiene sílice cruda (1% en peso) y (c) nanosílice modificada que contiene nanocompuesto de epoxi (1% en peso).

La Figura 9 muestra los resultados de la prueba de extracción para la barra de refuerzo de acero anclada en muestras de concreto mediante adhesivo epoxi prístino y adhesivos nanocompuestos. Los resultados indicaron que al incorporar humo de sílice silanizado a los adhesivos a base de epoxi, la resistencia a la extracción y el desplazamiento (es decir, la tenacidad) aumentaron increíblemente. Esto correspondió a las buenas interacciones entre el humo de sílice modificado con cadenas epoxi que prepararon un adhesivo nanocompuesto con dispersión homogénea de nanopartículas. Esto llevó a que las nanopartículas se difundieran en los micro/nanoporos y grietas del hormigón y aumentaran la unión mecánica entre las barras de refuerzo de acero y el hormigón. Esto también se relacionó con la alta tenacidad del nanocompuesto modificado que aumentó su capacidad para amortiguar las tensiones.

Propiedades de extracción de los sistemas de anclaje; (a) fuerza/desplazamiento y (b) energía de extracción.

En el caso del uso de sílice pirogénica en resina epoxi no se observaron influencias en las propiedades de adhesión. Esto estuvo relacionado con dos fenómenos diferentes ocurridos en la muestra que contrarrestaron los efectos. Por un lado, el humo de sílice mejoró las propiedades mecánicas del adhesivo epoxi. Por otro lado, las nanopartículas aglomeradas en la interfaz de la resina epoxi y las superficies de hormigón/acero disminuyeron su área de contacto efectiva, lo que podría causar la creación de microfisuras y fracturas bajo tensión de extracción.

La Figura 4S en la información de respaldo muestra curvas comparativas de carga-desplazamiento de extracción de los adhesivos. Se ve claramente que la barra de refuerzo salió completamente del agujero. El contenido de desplazamiento final más alto es inferior a 8 mm.

La Figura 9b muestra la energía de adhesión/resistencia de los adhesivos (es decir, según el área medida bajo las curvas de carga-desplazamiento de extracción). Es obvio que las nanopartículas de sílice pura mejoraron la dureza de la capa adhesiva prístina, pero las nanopartículas modificadas la mejoraron increíblemente.

El incremento significativo en la fuerza de unión del adhesivo nanocompuesto modificado a superficies de hormigón/barras de acero debe corresponderse con su diferente mecanismo de unión. Los grupos epóxido presentes en la superficie del humo de sílice silanizado podrían reaccionar directamente con los grupos amina del agente de curado. También podrían reaccionar con los grupos OH que se crean al abrirse los anillos epóxido mediante reacciones de curado. Estos enlaces covalentes aumentan la dureza y resistencia del adhesivo (ver Fig. 10a). La naturaleza hidrofóbica del adhesivo modificado prohíbe la acumulación de agua en la interfaz del concreto y el adhesivo que generalmente ocurre durante el intercambio de humedad del concreto hidrofílico y disminuye sus interacciones interfaciales54.

(a) Esquema del mecanismo de unión de nanopartículas modificadas a resina epoxi mediante un proceso de cocurado, (b) imágenes de la superficie de barras de acero extraídas del concreto para diferentes muestras, (c) imágenes de la superficie de la superficie del concreto separada de las barras de acero.

Sobre esta base, se podría afirmar que el adhesivo modificado podría disminuir la velocidad de corrosión de la barra de refuerzo de acero debido a la resistencia a la difusión del agua (es decir, como agente corrosivo del acero). La Figura 10b muestra imágenes de la superficie de la barra de refuerzo de acero extraída. Se ve evidentemente que el adhesivo prístino mostró un defecto de cohesión en la fase de hormigón. Esto significa que la resistencia del hormigón en masa es menor que la resistencia de adhesión del sistema de hormigón-barra-adhesivo55.

Por el contrario, al utilizar nanosílice pura en el adhesivo epoxi, el defecto de cohesión se transfirió a la capa adhesiva, lo que indica una menor resistencia del adhesivo. Las nanopartículas modificadas mejoraron las interacciones interfaciales adhesivas con la barra de acero y el hormigón. También reforzó la capa de hormigón adyacente (es decir, debido a la difusión en la grieta de la superficie y los poros del hormigón que aumentaron el volumen del hormigón adherido a la barra de acero después de la prueba de extracción).

La Figura 10c muestra algunos parches adhesivos impecables en la superficie del concreto. Esto significa que tenía mejor adherencia a la superficie de acero que el hormigón. Por el contrario, en el caso de utilizar adhesivo que contiene humo de sílice, se observaron muchas más manchas adhesivas en la superficie del hormigón, lo que significa una fractura de cohesión de la capa adhesiva debido a su debilidad. En el caso de usar adhesivo modificado, aparecieron arboledas masivas en la superficie del concreto que se crearon debido a una mejor adhesión interfacial y fractura de cohesión en la masa de concreto en lugar de la capa adhesiva.

En este trabajo, se prepararon adhesivos nano-SiO2-epóxidos para el anclaje de barras de acero en hormigón. En primer lugar, se modificó la superficie de las nanopartículas utilizando un silano a base de epoxi para mejorar sus interacciones interfaciales con el aglutinante epoxi. La prueba de adhesión por extracción se realizó para evaluar el rendimiento de los adhesivos. Con base en los resultados se obtuvieron las siguientes conclusiones:

Se descubrió que el mayor contenido de injerto de silano se logró con una concentración de silano de 10X (es decir, 10 veces la concentración estequiométrica) y la modificación de la superficie no tuvo ningún efecto sobre la fase cristalina de las nanopartículas, pero disminuyó su tamaño.

La modificación de la superficie de la nanosílice provocó un aumento en el WCA de la película epoxi de aproximadamente un 19 y un 67 % en comparación con el epoxi prístino y los adhesivos epoxi que contienen nanopartículas puras, respectivamente. También cambió la naturaleza del adhesivo nanocompuesto modificado de hidrófilo a hidrófobo.

La adición de nanosílice pura (1% en peso) a la matriz epoxi provocó un aumento de 56, 81, 200 y 66% en la resistencia a la tracción, el módulo de tracción, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión mejoraron en un 56, 81, 200 y 66%, respectivamente.

La incorporación de 1% en peso de nanosílice modificada al adhesivo epoxi provocó un aumento del 70, 20, 17 y 21% en la resistencia a la tracción, el módulo de tracción, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión en comparación con el adhesivo epoxi relleno con nanosílice pura.

La nanosílice modificada provocó un aumento del 16 y el 43% en el módulo de almacenamiento del nanocompuesto epoxi en comparación con los adhesivos que contienen epoxi prístino y nanosílice pura, respectivamente. También aumentó un 6 y un 10% la función de pérdida (tanδ), respectivamente.

El uso de nanosílice modificada en la superficie en una matriz epoxi provocó una mejora de aproximadamente un 40 y un 25% en la resistencia a la extracción y un incremento de un 33 y un 18% en el desplazamiento de extracción en comparación con los adhesivos prístinos que contienen epoxi y nanosílice pura. La energía de adhesión se mejoró hasta un 50 y un 130 % en comparación con el nanocompuesto epoxi puro y los adhesivos epoxi prístinos.

Se confirma que toda la Disponibilidad de Datos. Los datos sin procesar/procesados ​​necesarios para reproducir estos hallazgos se pueden compartir.

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Laboratorio de Investigación de Compuestos y Polímeros de Construcción, Escuela de Ingeniería Química, de Petróleo y Gas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán (IUST), Teherán, Irán

Reza Ghamarpoor, Masoud Jamshidi y Majid Mohammadpour

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RG: Conceptualización, metodología, investigación, curación de datos, redacción—borrador original. MJ: Conceptualización, metodología, validación, recursos, curación de datos. MM: Metodología, investigación.

Correspondencia a Masoud Jamshidi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ghamarpoor, R., Jamshidi, M. y Mohammadpour, M. Lograr rendimientos mecánicos/de unión excepcionales mediante nanocompuestos epoxi como adhesivo de barras de refuerzo de acero y hormigón mediante modificación con silano de nano SiO2. Representante científico 13, 9157 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36462-0

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Recibido: 28 de marzo de 2023

Aceptado: 04 de junio de 2023

Publicado: 06 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36462-0

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